新工科背景下“數字信號處理”教學模式探索

聶學方 朱路 周天清

[摘 要] 傳統的教學方式已無法適應新時代創新型人才的培養要求。隨著信息技術在教育行業應用的推廣，線上教學作為傳統教學的補充已獲得廣大師生好評。隨著教學方式的逐步演變，在“新工科”的背景下，深度融合的線上與線下混合教學模式已成為高校教學改革的重要發展方向。以“數字信號處理”課程為例，闡述深度融合的混合式教學實施方案，并分析混合式教學效果，為實施有序、穩定和高效的線上線下深度融合的混合式教學提供借鑒。

[關鍵詞] 混合式教學;數字信號;教學模式

[基金項目] 2020年度江西省教育科學“十三五”規劃省級課題“信息隱藏框架下本科專業課程科教融合的魯棒性機制及其實現路徑研究”（20YB057）

[作者簡介] 聶學方（1980—），男，江西九江人，博士，華東交通大學信息工程學院講師，主要從事超密集組網研究;朱 路（1976—），男，江西永新人，博士，華東交通大學信息工程學院教授，主要從事圖像處理研究;周天清（1983—），男，江西南昌人，博士，華東交通大學信息工程學院副教授，主要從事邊緣計算研究。

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）07-0097-04? ? [收稿日期] 2020-09-07

一、引言

為了迎接新時代科技創新與產業變革帶來的挑戰，教育部提出了新工科建設與發展理念，旨在加快我國工程教育的創新與改革進度，為高校培養創新型科技人才做好鋪墊。傳統“灌輸式”的教學方式已不再適用于培養創新型人才，高校急需提出適應新時代人才培養體系的教學模式。隨著信息技術在教育行業應用的推廣，線上教學作為傳統教學的補充已獲得廣大師生好評。在“新工科”背景下，教師的教學手段和學生的學習方式正在逐步發生變化。為豐富課程教學形式、改善教學效果，深度融合線上線下的混合教學模式，已成為當前高校教學改革的一個重要發展方向[1-3]。然而，如何深度融合線上線下教學是高校教學改革的重要挑戰。為此，本文以工科專業基礎課“數字信號處理”課程為例，闡述深度融合的線上線下混合式教學模式，分享教學實踐經驗和成效，為實施有序、穩定、高效的混合式教學模式提供借鑒。

二、傳統教學和線上教學方式

傳統教學通常是以教師為主體、以教材為中心的灌輸式教學模式。課堂上教師講授學生聽，主要采用演示文稿（PPT）和黑板輔助的形式。課后學生圍繞著教師布置的課后練習題進行學習。這種傳統的教學方法以教師為主體，教學方式相對單一。該模式雖然能較好地完成教學任務，但整個上課過程學生參與度和學習主動性較低，師生互動性交流較少，無法體現以學生為中心的教學理念。

隨著智能信息技術的快速發展及移動互聯網的廣泛應用，具有云端和多樣化特點的網絡教學方式已經紛紛上線[4]。教師可以依托中國大學MOOC、學堂在線和智慧樹等教學平臺，設置異步在線授課方式，并根據課程教學大綱建設專屬在線課程SPOC。相比于傳統的線下教學方式，線上教學模式為教師授課提供了便利條件。例如，釘釘平臺還推出了在線黑板、簽到、會議討論、作業布置及批閱等功能。然而，單純的線上教學模式主要是在教學平臺上提供教學錄像和學習資料，缺乏師生即時交互環節，呈現單向知識傳遞的局面。

三、混合式教學模式

（一）課程教學大綱

“數字信號處理”作為電子信息類主干課程，對于培養學生的理論分析和工程應用能力有重要作用[5]。課程大綱統籌考慮如下四個方面的教學目的：（1）掌握離散時間信號和系統分析的基本原理和基本分析方法;（2）深入理解離散傅里葉變換的基本原理，學會應用離散傅里葉變換及快速算法解決信號分析問題的方法;（3）能用系統函數、差分方程、系統零極點、單位脈沖響應和頻率響應對系統進行建模;（4）掌握數字濾波器的設計原理和實現方法，能夠設計數字濾波器對數字信號進行處理。具體教學內容如圖1所示。

“數字信號處理”課程包含信號分析和濾波器設計兩大部分。每個章節教學由四個部分組成，教學方案如圖2所示。整個教學過程包含教師教學準備、學生課前預習、教師和學生互動的課中環節及學生課后鞏固四個環節。其中，課前預習和課后鞏固兩部分主要依托中國大學MOOC和釘釘互聯網平臺展開。MOOC平臺提供教學視頻和單元內容測試，而釘釘為教師直播授課、作業布置和批閱提供平臺，同時也為學生簽到和問題討論提供便利渠道。課中環節在教室完成，教師講解重點難點知識，并組織學生互動討論。

（二）混合式教學實施方案

1.教學準備。在授課前教師根據課程教學大綱制定好教學計劃和教學進度安排。在每次課講授之前，教師將準備好的預習資料通過中國大學MOOC和釘釘平臺推送給學生。這些資料包含了知識重點、學習目標及具有針對性的思考練習題和視頻學習資料等。如果知識點具有工程應用背景，則在預習資料中還包含工程應用案例。例如：針對快速離散傅里葉變換的典型教學內容，團隊制作PPT課件及錄制好相應內容的講解視頻，并說明FFT與已學內容離散傅里葉變換（DFT）的區別、FFT算法實現快速運算的基本思路。其次，為了學生理解和記憶，推送公式演算和算法流圖，說明按時間抽取（DIT）和頻率抽取（DFT）基-2FFT算法的基本原理和兩者算法的差異。由于FFT算法具有較強的工程應用背景，我們編寫DIT和DFT的基-2 FFT算法程序，實現對8點離散序列的頻譜分析。最后，針對FFT算法內容設置課前和課后的練習題。課前練習題包括：（1）改善DFT運算效率的基本途徑有哪些，如何減少DFT的運算量;（2）DIT和DFT算法所需加法和乘法的運算次數相比于DFT，運算次數減少了多少;（3）FFT運算級數、每級蝶形運算的個數及運算點數有什么關聯。課后練習包括：（1）理解DIT和DFT的基-2FFT算法的算法原理、運算流圖、所需計算量和算法特點;（2）畫出4點DIT和DFT的基-2FFT算法流圖;（3）8/16/32點DIT和DFT的基-2FFT流圖之間有什么規律。